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Ein Quantensprung für die Informationstechnologie?

Die Entwicklung von Quantencomputern könnte die technologische Revolution des 21. Jahrhunderts auslösen. Dr. Lars Jäger von GAM Systematic erklärt, um welchen besonderen technologischen Meilenstein es sich hierbei handelt und betrachtet dessen enormes Problemlösungspotenzial.

8 Oktober 2019

Der Quantencomputer – ein Begriff, der für die meisten Menschen ebenso skurril wie spannend und futuristisch klingen dürfte – drängt ins öffentliche Bewusstsein. Er vereint die technologische Allgegenwart digitaler Rechner mit der beeindruckenden Komplexität und Abstraktion der wichtigsten physikalischen Theorie des 20. Jahrhunderts. Gleichzeitig verspricht er eine neue technologische Revolution, die das 21. Jahrhundert ebenso stark prägen könnte, wie die Entwicklung digitaler Schaltkreise das 20. Jahrhundert prägte.

Lange Zeit galten Quantencomputer als Science-Fiction und ihre Konstruktion als Zukunftsmusik. Es stellte sich jedoch heraus, dass die technologische Entwicklung immer rasanter abläuft. Wie kürzlich bekannt wurde, ist es den Ingenieuren von Google gelungen, einen Quantencomputer zu bauen, der erstmals ein Problem lösen konnte, das mit konventionellen Computern nicht lösbar war. Konkret bedeutet dies: Der Google Computerchip (namens Sycamore) benötigte lediglich 200 Sekunden für eine bestimmte Rechenaufgabe, für die der modernste Supercomputer der Welt 10 000 Jahre benötigen würde. Noch vor wenigen Jahren bezeichnete Google das Konzept, dass ein Quantencomputer bei der Erledigung bestimmter Aufgaben besser sei als jeder bestehende klassische Computer, als «Quantenüberlegenheit» («Quantum Supremacy»). Es scheint, als sei der Zeitpunkt dieser «Quantenüberlegenheit» nun gekommen. Es besteht daher durchaus die Möglichkeit, dass wir aktuell Zeugen eines «Sputnik-Moments» in der Informationstechnologie werden. Dies stellt eher einen symbolischen Meilenstein dar, da das von Sycamore gelöste Problem ein sehr akademisches ist. Der Erfolg von Google könnte jedoch die Entwicklung der Quanten-IT – ähnlich wie der historische Sputnik-Moment in den 1950er Jahren die Raumfahrt – enorm stimulieren.

Was also ist ein Quantencomputer? Eines vorweg: Obwohl auch konventionelle Computer (mit ihren immer kleineren Bauteilen) Quanteneffekten unterliegen, basiert ihr Funktionsprinzip jedoch vollständig auf klassischer Physik. Die sogenannte «von-Neumann-Architektur» bildet die Grundlage aller heutigen Computer und stellt sicher, dass Rechenschritte sequenziell, also Bit für Bit, abgearbeitet werden. Die kleinstmöglichen Informationseinheiten besitzen jeweils einen definierten Status von 1 oder 0. Quantencomputer nutzen hingegen die Eigenschaften der Quantentheorie direkt. Daher gilt für sie eine komplett andere Informationstheorie. Das Äquivalent zum klassischen Bit ist in Quantencomputern das Quantenbit oder kurz Qubit. Qubits verfügen über einige aussergewöhnliche Eigenschaften: Sie können beispielsweise beide Status (0 und 1) gleichzeitig sowie sämtliche Werte dazwischen annehmen, also «halb 1» und «halb 0». Das liegt daran, dass Quantenstatus in sogenannten «Überlagerungen» existieren können, bei denen Status überlappen, die sich normalerweise gegenseitig ausschliessen würden. Diese bizarre Eigenschaft der Quantenpartikel löste einst hitzige Diskussionen zwischen den Vätern der Quantenphysik aus, die sich schliesslich im altbekannten Gedankenexperiment von Schrödingers Katze ausdrückten. Zusätzlich können unterschiedliche Quantenpartikel in sogenannte «verschränkte Status» versetzt werden. Dies ist eine weitere bizarre Eigenschaft der Quantenwelt, für die es in unserer klassischen Welt keine Entsprechung gibt. Es ist, als ob die Qubits mit einer unsichtbaren Feder aneinandergekoppelt wären. Durch die «spukhafte Fernwirkung» (spooky action at a distance – ein Begriff, der von Albert Einstein geprägt wurde, der diesen jedoch ironisch meinte, da er die Quantenverschränkung für unmöglich hielt) stehen alle Qubits miteinander in direktem Kontakt. Jedes Quantenbit «weiss» also sozusagen, was die anderen Qubits gerade tun.

Daher existieren verschränkte Qubits in Überlagerung unendlich vieler unterschiedlicher Status gleichzeitig. Zudem sind sie alle durch ein unsichtbares und nicht messbares Band miteinander verbunden. Drastisch formuliert: Das System aus vielen Partikeln nimmt gleichzeitig alle möglichen Status ein. Bestimmte individuelle Status werden (mit entsprechender Wahrscheinlichkeit) erst nach einer physikalischen Messung realisiert. Davor sind sie objektiv unbestimmt – eine weitere merkwürdige Eigenschaft in der Quantenwelt. Mithilfe eines entsprechenden Algorithmus lassen sich alle verschränkten Qubits gleichzeitig verarbeiten – genauso, als ob zahlreiche Schokoladenfabriken ihre Produktionsstrassen gleichzeitig angeworfen hätten und nun parallel Schokolade produzieren. Je stärker die Qubits verschränkt sind, umso mehr Status können parallel verarbeitet werden. Im Unterschied zu konventionellen Computern, deren Rechenkapazität linear mit der Anzahl der Rechnerkomponenten steigt, nimmt die Kapazität eines Quantencomputers exponentiell mit der Anzahl der eingesetzten Qubits zu. Die Leistung eines Quantencomputers verdoppelt sich daher nicht erst, wenn weitere 100 Qubits zu den bestehenden Qubits hinzugefügt werden, sondern bereits dann, wenn zu den ursprünglichen Qubits nur ein einziges Qubit hinzugefügt wird. Werden zehn Qubits hinzugefügt, steigt die Leistung bereits um das Tausendfache (oder genauer das 1 024-fache). Mit 20 Qubits ist der Quantencomputer bereits eine Million Mal und mit 50 neuen Qubits eine Million Milliarden Mal schneller. Daher lässt sich die Leistung eines Quantencomputers mit 100 neuen Informationsträgern fast nicht mehr beziffern, während die eines klassischen Computers sich lediglich verdoppelt. Mit dieser enormen parallelen Rechenleistung könnten Probleme gelöst werden, die selbst für die derzeit in der Physik, der Biologie, der Wetterforschung und auf anderen Gebieten eingesetzten «Supercomputer» viel zu anspruchsvoll sind.

Bei näherer Betrachtung ist die massive Parallelisierung, die durch verschränkte Status erreicht werden kann, somit nicht wirklich mit parallel arbeitenden Schokoladenfabriken vergleichbar. Informationen, die in verschränkten Systemen gespeichert und verarbeitet werden, unterscheiden sich stark von den in gewöhnlichen digitalen Computern verarbeiteten Informationen. Quantencomputer arbeiten nicht im wörtlichen Sinne parallel, sondern sie organisieren die Informationen so, dass diese über viele verschränkte Komponenten des gesamten Systems verteilt werden. Am Beispiel eines Buchs mit 100 Seiten lässt sich dies veranschaulichen. Für ein gewöhnliches 100-seitiges Buch gilt: Durch das Lesen einer einzelnen Seite erfasst man jeweils 1% des Gesamtinhalts. Liest man alle Seiten einzeln nacheinander, kennt man den kompletten Inhalt des Buchs. In einem Quantenbuch sind die Seiten jedoch ineinander verschränkt und damit vollkommen anders angeordnet. Betrachtet man eine Seite nach der anderen, sieht man nur wirres Zeug und auch wenn man sie eine nach der anderen liest, weiss man am Ende immer noch sehr wenig über den eigentlichen Inhalt des Buches. Das liegt daran, dass die Informationen im Quantenbuch nicht auf den einzelnen Seiten gedruckt, sondern fast ausschliesslich in der Korrelation der Seiten untereinander codiert sind. Wer das Buch lesen will, muss also alle Seiten gleichzeitig betrachten.

Nachfolgend stellen wir fünf Probleme vor, die über die Grenzen aktueller Computer hinausgehen, und zeigen, welche verblüffenden Möglichkeiten sich durch den Einsatz von Quantencomputern ergeben:

  1. Kryptografie: Die derzeit üblichen Verschlüsselungsmethoden basieren auf der Refaktorisierung der Produkte zweier sehr langer Primzahlen. Ab einer gewissen Zahlenlänge kann diese Aufgabe von einem klassischen Computer nicht mehr bewältigt werden. Im Jahr 1994 entwickelte der Computerwissenschaftler Peter Shor einen Algorithmus, der mithilfe eines Quantencomputers die grössten Produkte der heute verwendeten Primzahlen innerhalb von Minuten in ihre Divisoren faktorisieren könnte.
  2. Lösung komplexer Optimierungsprobleme: Die Aufgabe, für viele Varianten die optimale Lösung zu finden, wird von Mathematikern als besonders schwierig eingestuft. Diese Probleme kommen in der Industrielogistik, beim Design von Mikrochips oder bei der Optimierung von Verkehrsflüssen vor. Selbst mit nur wenigen Variationen können klassische Computer dafür keine optimalen Lösungen berechnen. Quantencomputer sind in der Lage, derartige Optimierungsprobleme in vergleichsweise kurzer Zeit zu lösen.
  3. Bedeutende Anwendungsmöglichkeiten könnten sich auch im Bereich der künstlichen Intelligenz ergeben: Die dort verwendeten «tiefen neuronalen Netze» haben grosse kombinatorische Optimierungsprobleme, die von Quantencomputern viel schneller und besser als von klassischen Computern gelöst werden können. Dies könnte Maschinen um ein Vielfaches intelligenter machen als sie derzeit sind.
  4. Durchsuchung grosser Datenbanken: Ein klassischer Computer muss zum Durchsuchen unsortierter Datensätze jeden Datenpunkt einzeln untersuchen. Die Suchzeit steigt daher linear mit der Anzahl der gegebenen Datenpunkte. Das Durchsuchen grosser Datenmengen wird damit für klassische Computer zu zeitaufwendig. Im Jahr 1996 veröffentlichte der Computerwissenschaftler Lov Grover einen Algorithmus für Quantencomputer, für den die Anzahl der erforderlichen Rechenschritte nur mit der Quadratwurzel der Anzahl der Datenpunkte steigt. Anstatt für eine Milliarde Dateneinträge tausendmal länger zu brauchen als für eine Million würde ein Quantencomputer mit dem Grover-Algorithmus lediglich etwas mehr als 30 Mal länger brauchen – für grosse Datenmengen wäre dies eine atemberaubende Verbesserung.
  5. Aufspüren neuer chemischer Verbindungen: In der Simulation von Quantensystemen entstehen regelmässig komplexe Optimierungsprobleme. Das Ziel dabei besteht darin, aus vielen Alternativen die beste (d. h. die energieeffizienteste) Konfiguration der Elektronen in einem Atom oder Molekül zu finden. Theoretische Physiker und Chemiker beschäftigen sich seit Jahrzehnten mit mässigem Erfolg mit diesen Problemen. Die entsprechenden Quantengleichungen sind für klassische Computer einfach zu komplex, um sie zu lösen. Quantencomputer könnten das Verhalten der beteiligten Elektronen jedoch direkt aufzeichnen und modellieren, da sie sich selbst wie ein Quantensystem verhalten. Das verbesserte Verständnis des molekularen Verhaltens und der detaillierten chemischen Reaktionen könnte eingesetzt werden, um neue Wirkstoffe zu entdecken oder effizientere Batterietechnologien zu entwickeln.

Einige Physiker sind sogar davon überzeugt, dass uns Quantencomputer in die Lage versetzen werden, sämtliche in der Natur vorkommenden Probleme zu berechnen: Vom Verhalten schwarzer Löcher über die Entwicklung des Universums in einem sehr frühen Stadium und die Kollisionen hochenergetischer Elementarteilchen bis zur Superleitfähigkeit und dem Modellieren der 100 Milliarden Neuronen und daraus mehr als tausendfache Verbindungen in unserem Gehirn. In jedem Fall wird es sich lohnen, in den kommenden Wochen und Monaten die Wissenschaftsseite der Tageszeitung sorgfältiger zu verfolgen, um zu erfahren, welche neue Entdeckungen gemacht werden.

Quelle: www.larsjaeger.ch


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Die Angaben in diesem Dokument dienen lediglich zum Zwecke der Information und stellen keine Anlageberatung dar. Die in diesem Dokument enthaltenen Meinungen und Einschätzungen können sich ändern und geben die Ansicht von GAM unter den derzeitigen Konjunkturbedingungen wieder. Für die Richtigkeit und Vollständigkeit der Angaben wird keine Haftung übernommen. Die vergangene Performance ist kein Indikator für die laufende oder künftige Wertentwicklung.

Dr Lars Jaeger

Head of Alternative Risk Premia

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